第五節洛倫茲力的應用課標定位學習目標：1.知道洛倫茲力只改變帶電粒子速度方向，不改變其速度大小．2．知道質譜儀和回旋加速器的構造和原理．重點難點：質譜儀和回旋加速器的原理和應用．

核心要點突破課堂互動講練知能優化訓練第五節洛倫茲力的應用課前自主學案課前自主學案Bv0圖3－5－12．特點：只改變帶電粒子的__________，不改變帶電粒子的__________．二、質譜儀和回旋加速器1．質譜儀(1)原理圖：如圖3－5－2圖3－5－2運動方向速度大小qUqvB質量m質量同位素2．回旋加速器(1)構造圖：如圖3－5－3圖3－5－3回旋加速器的核心部件是兩個_________.D形盒不變核心要點突破一、質譜儀工作原理的理解質譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動的精密儀器，它是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要工具．其結構如圖3－5－4甲所示，容器A中含有電荷量相同而質量有微小差別的帶電粒子．經過S1和S2之間的電場加速，它們進入磁場將沿著不同的半徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細條，叫做質譜線．每一條譜線對應于一定的質量．從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質量，這種儀器叫做質譜儀．圖3－5－4即時應用(即時突破，，小試牛刀刀)1.如圖3－5－5是質譜儀儀的工作作原理示示意圖．．帶電粒粒子被加加速電場場加速后后，進入入速度選選擇器，，速度選選擇器內內相互正正交的勻勻強磁場場和勻強強電場的的強度分分別為B和E.平板S上有可讓讓粒子通通過的狹狹縫P和記錄粒粒子位置置的膠片片A1A2.平板S下方有強強度為B0的勻強磁磁場．下下列表述述正確的的是()圖3－5－5A．質譜儀儀是分析析同位素素的重要要工具B．速度選選擇器中中的磁場場方向垂垂直紙面面向外C．能通過過狹縫P的帶電粒粒子的速速率等于于E/BD．粒子打打在膠片片上的位位置越來來越靠近近狹縫P，粒子的的荷質比比越小二、對回回旋加速速器的正正確認識識1．回旋加加速器的的原理回旋加速速器的工工作原理理如圖3－5－6所示．放放在A0處的粒子子源發出出一個帶帶正電的的粒子，，它以某某一速率率v0垂直進入入勻強磁磁場中，，在磁場場中做勻勻速圓周周運動．．經過半半個周期期，當它它沿著半半圓A0A1時，我們們在A1A1′處設置一一個向上上的電場場，使這這個帶電電粒子在在A1A1′處受到一一次電場場的加速速，速率率由v0增加到v1，然后粒粒子以速速率v1在磁場中中做勻速速圓周運運動．圖3－5－6我們知道道，粒子子的軌道道半徑跟跟它的速速率成正正比，因因而粒子子將沿著著增大了了的圓周周運動．．又經過過半個周周期，當當它沿著著半圓弧弧A1′A2′到達A2′時，我們們在A2′A2處設置一一個向下下的電場場，使粒粒子又一一次受到到電場的的加速，，速率增增加到v2.如此繼續續下去，，每當粒粒子運動動到A1A1′、A3A3′等處時都都使它受受到一個個向上電電場的加加速，每每當粒子子運動到到A2′A2、A4′A4等處時都都使它受受到一個個向下電電場的加加速，那那么，粒粒子將沿沿著圖示示的螺旋旋線回旋旋下去，，速率將將一步一一步地增增大．特別提醒醒：由上上式可以以看出，，要使粒粒子射出出的動能能Ekm增大，就就要使磁磁場的磁磁感應強強度B以及D形盒的半半徑R增大，而而與加速速電壓U的大小無無關(U≠0)．即時應用用(即時突破破，小試試牛刀)2.回旋加速速器是加加速帶電電粒子的的裝置，，其核心心部分是是分別與與高頻交交流電極極相連接接的兩個個D形金屬盒盒，兩盒盒間的狹狹縫中形形成的周周期性變變化的電電場，使使粒子在在通過狹狹縫時都都能得到到加速，，兩D形金屬盒盒處于垂垂直于盒盒底的勻勻強磁場場中，如如圖3－5－7所示，要增大大帶電粒子射射出時的動能能，則下列說說法中正確的的是()圖3－5－7A．增大勻強強電場間的的加速電壓壓B．增大磁場場的磁感應應強度C．減小狹縫縫間的距離離D．增大D形金屬盒的的半徑三、帶電粒粒子在復合合場中運動動的分析方方法和思路路1．弄清復合合場的組成成．一般有有磁場、電電場的復合合，磁場、、重力場的的復合，磁磁場、電場場、重力場場三者的復復合．2．正確進行行受力分析析，除重力力、彈力、、摩擦力外外要特別注注意靜電力力和磁場力力的分析．．3．確定帶電電粒子的運運動狀態，，注意運動動情況和受受力情況的的結合．4．對于粒子子連續通過過幾個不同同情況的場場的問題，，要分階段段進行處理理．5．畫出粒子子的運動軌軌跡，靈活活選擇不同同的運動規規律．(1)當帶電粒子子在復合場場中做勻速速直線運動動時，根據據受力平衡衡列方程求求解．(2)當帶電粒子子在復合場場中做勻速速圓周運動動時，應用用牛頓定律律結合圓周周運動規律律求解．(3)當帶電粒子子做復雜曲曲線運動時時，一般用用動能定理理或能量守守恒定律求求解．(4)對于臨界問問題，注意意挖掘隱含含條件．特別提醒：：(1)電子、質子子、α粒子等一般般不計重力力，帶電小小球、塵埃埃、液滴等等帶電顆粒粒一般要考考慮重力的的作用．(2)注意重力、、電場力做做功與路徑徑無關，洛洛倫茲力始始終和運動動方向垂直直、永不做做功的特點點．即時應用(即時突破，，小試牛刀刀)3．(2020年杭州高二二檢測)一個帶電粒粒子以初速速度v0垂直于電場場方向向右右射入勻強強電場區域域，穿出電電場后接著著又進入勻勻強磁場區區域．設電電場和磁場場區域有明明確的分界界線，且分分界線與電電場強度方方向平行，，如圖3－5－8中的虛線表表示．在圖圖所示的幾幾種情況中中，可能出出現的是()圖3－5－8解析：選AD.A、C選項中粒子子在電場中中向下偏轉轉，所以粒粒子帶正電電，再進入入磁場后，，A圖中粒子應應逆時針轉轉，正確．．C圖中粒子應應順時針轉轉，錯誤．．同理可以以判斷B錯，D對．課堂互動講練類型一帶電粒子在有界磁場中的運動例1如圖3－5－9所示，一束束電子(電荷量為e)以速度v垂直射入磁磁感應強度度為B、寬度為d的勻強磁場場中，穿透透磁場時速速度方向與與原來入射射方向的夾夾角是30°，則電子的的質量是________，穿透磁場場的時間是是________．圖3－5－9【思路點撥】由于洛倫茲茲力總是垂垂直于速度度方向，若若已知帶電電粒子的任任意兩個速速度方向，，就可以通通過作出兩兩速度的垂垂線，找出出兩垂線的的交點即為為帶電粒子子做圓周運運動的圓心心．變式式訓訓練練1如圖圖3－5－10所示示，，在在圓圓形形區區域域里里，，有有勻勻強強磁磁場場，，方方向向如如圖圖所所示示，，有有一一束束速速率率各各不不相相同同的的質質子子自自A點沿沿半半徑徑方方向向射射入入磁磁場場，，這這些些質質子子在在磁磁場場中中()A．運運動動時時間間越越長長的的，，其其軌軌跡跡所所對對應應的的圓圓心心角角越越大大B．運運動動時時間間越越長長的的，，其其軌軌跡跡越越長長C．運運動動時時間間越越短短的的，，射射出出磁磁場場時時，，速速率率越越小小D．運動時時間越短短的，射射出磁場場時，速速度方向向偏轉越越小圖3－5－10類型二對質譜儀的理解和應用例2如圖3－5－11所示是測測量帶電電粒子質質量的儀儀器的工工作原理理示意圖圖．設法法將某有有機化合合物的氣氣態分子子導入圖圖中所示示的容器器A中，使它它受到電電子束轟轟擊，失失去一個個電子變變成正一一價的分分子離子子．分子子離子從從狹縫S1以很小的的速度進進入電壓壓為U的加速電電場區(初速不計計)，加速后后，再通通過狹縫縫S2、S3射入磁感感應強度度為B的勻強磁磁場，方方向垂直直于磁場場區的界界面PQ.最后，分分子離子子打到感感光片上上，形成成垂直于于紙面而而且平行行于狹縫縫S3的細線．．若測得得細線到到狹縫S3的距離為為d，導出分分子離子子的質量量m的表達式式．圖3－5－11【思路點撥撥】電場中粒粒子做加加速運動動，速度度選擇器器則可以以使通過過S3的粒子具具有相同同的速度度，磁場場中帶電電粒子做做圓周運運動，經經半個周周期打到到感光片片上．【規律總結結】熟練掌握握帶電粒粒子在電電場中加加速和磁磁場中做做勻速圓圓周運動動的公式式，才能能較好地地解決題題目．變式訓練練2如圖3－5－12為質譜譜儀的的示意意圖．．速度度選擇擇部分分的勻勻強電電場場場強E＝1.2×105V/m，勻強強磁場場的磁磁感應應強度度為B1＝0.6T．偏轉轉分離離器的的磁感感應強強度為為B2＝0.8T．求：：(1)能通過過速度度選擇擇器的的粒子子速度度有多多大？？(2)質子和和氘核核進入入偏轉轉分離離器后后打在在底片片上的的條紋紋之間間的距距離d為多少少？圖3－5－12答案：：(1)2××105m/s(2)5.2××10－3m類型三回旋加速器的應用例3回旋加加速器器是用用來加加速帶帶電粒粒子使使它獲獲得很很大動動能的的儀器器，其其核心心部分分是兩兩個D形金屬屬盒，，兩盒盒分別別和一一高頻頻交流流電源源兩極極相連連，以以便在在盒間間的窄窄縫中中形成成勻強強電場場，使使粒子子每次次穿過過窄縫縫都得得到加加速，，兩盒盒放在在勻強強磁場場中，，磁場場方向向垂直直于盒盒底面面，粒粒子源源置于于盒的的圓心心附近近，若若粒子子源射射出的的粒子子電荷荷量為為q，質量量為m，粒子子最大大回旋旋半徑徑為Rm，其運運動軌軌跡如如圖3－